Однофазный мостовой транзисторный инвертор

 

Изобретение относится к автономным однофазным мостовым инверторам, применяемым в различных вторичных источниках питания. Технический результат - повышение надежности однофазного мостового транзисторного инвертора. Однофазный мостовой транзисторный инвертор содержит транзисторы, источник питания со сглаживающим конденсатором на выходе, нагрузку, преимущественно трансформаторного типа, подключенную к диагонали переменного тока инвертора через конденсатор, датчик тока нагрузки и систему управления, выполненную по принципу отрицательной обратной связи. Дополнительно в схему введен датчик сквозных токов в виде насыщающегося трансформатора с тремя одинаковыми первичными и одной вторичной обмоткой. Одна первичная обмотка включена между одноименными полюсами источника питания и выводами диагонали постоянного тока инвертора. Две другие первичные обмотки, встречно включенные по отношению к первой, включены в плечи мостового транзисторного инвертора, имеющие общую точку с одним из выводов диагонали переменного тока этого мостового транзисторного инвертора. Одна из упомянутых обмоток включена между плюсовым выводом диагонали постоянного тока мостового транзисторного инвертора и коллектором соответствующего транзистора, другая - между минусовым выводом диагонали постоянного тока мостового транзисторного инвертора и эмиттером соответствующего транзистора. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к автономным однофазным инверторам, и могут применяться в различных вторичных источниках питания, например в электросварочных аппаратах, однофазных плазмотронах и т.п.

Известны однофазные мостовые транзисторные инверторы, содержащие в силовой части транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока к нагрузке (см. "Transpoket" - Австрия, Каталог 1995-96 гг., "Castolin GmbH" - Германия, "Kraftzwerg" 1994-96 гг., "ДС200 А1-Технотрон" - Россия, "Invertec" V-130-S-Lincoln-CШA). Для уменьшения скорости нарастания тока в аварийных ситуациях между источником питания и транзисторным инвертором обычно включают последовательно дроссель, шунтированный обратным диодом, а параллельно источнику питания включают сглаживающий конденсатор. Инверторы в вышеперечисленных установках содержат также датчики тока нагрузки и датчики потребляемого инвертором тока. Перечисленные датчики обеспечивают срабатывание защиты при токах нагрузки и сквозных токах, превышающих допустимое значение.

Известен сетевой блок (см. свидетельство на полезную модель N 3514, 1995 г. ), где в качестве датчика тока, потребляемого инвертором, использован датчик Холла, сигнал с выхода которого приводит к отключению установки, если сумма тока нагрузки и сквозного тока превысит допустимое значение.

В сварочных аппаратах инверторного типа фирмы "Veriverter" (Финляндия) контроль сквозных токов осуществлен параметрическими датчиками индуктивного типа, устанавливаемыми в контролируемых плечах однотактного инвертора. Выходы этих датчиков через систему управления и защиты действуют на отключение установки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится следующее: - датчики Холла сложны в калибровке и требуют усиления сигнала, что усложняет устройство; - известные параметрические индуктивные датчики требуют автономных источников высокой частоты, также усложняющих устройство; - как генераторные, так и параметрические известные датчики сами по себе не ограничивают ток, а лишь воздействуют на систему управления и защиты, имеющую собственное время срабатывания, что, особенно при высокой крутизне нарастания тока, характерной для сквозных коротких замыканий, не обеспечивает достаточно надежной защиты.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является "Вторичный источник питания" (см. патент N 2131640 авторов Магазинника Г.Г., Шингарова В.П., Магазинника Л.Т. БИ N 16, 1999), у которого к источнику постоянного тока подключен однофазный мостовой транзисторный инвертор с трансформаторной нагрузкой. Для исключения постоянной составляющей в нагрузке последовательно с ней включен конденсатор. Упомянутый вторичный источник питания принимается за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании как перечисленных выше аналогов, так и прототипа, относится то, что в известном устройстве недостаточно надежна защита от сквозных токов однофазного мостового транзисторного инвертора. Упрощенная схема прототипа приведена на фиг. 1 и содержит в силовой части однофазный мостовой транзисторный инвертор включающий транзисторы 1, 2, 3, 4, шунтированный обратным диодным мостом с диодами 5, 6, 7, 8 и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания со сглаживающим конденсатором 9 на выходе, а диагональю переменного тока к трансформаторной нагрузке 10 через конденсатор 11. Датчик тока 12, включаемый в цепь нагрузки, связан с системой управления 13 по принципу отрицательной обратной связи. Датчик общего тока инвертора 14 обеспечивает отключение инвертора как при недопустимых перегрузках, так и при сквозных коротких замыканиях.

Достоинством прототипа по сравнению с аналогами является отсутствие постоянной составляющей в первичной цепи нагрузки на любых частотах работы инвертора, что позволяет эффективно использовать однофазную мостовую схему инвертора с трансформаторной нагрузкой.

Технический результат - повышение надежности однофазного мостового транзисторного инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство содержит транзисторы, источник питания со сглаживающим конденсатором на выходе, нагрузку, преимущественно трансформаторного типа, подключенную через конденсатор к диагонали переменного тока упомянутого однофазного мостового транзисторного инвертора, а также содержит датчик тока нагрузки, соединенный выходом с системой управления и защиты по принципу отрицательной обратной связи. Особенностью является то, что однофазный мостовой транзисторный инвертор снабжен датчиком сквозных токов, выполненным в виде четырехобмоточного насыщающегося трансформатора с тремя одинаковыми первичными и одной вторичной обмотками, причем первая первичная обмотка четырехобмоточного насыщающегося трансформатора включена последовательно между одним из полюсов источника питания и одноименным выводом диагонали постоянного тока однофазного мостового транзисторного инвертора, две другие первичные обмотки, встречно включенные по отношению к первой, включены в два плеча однофазного мостового транзисторного инвертора, имеющие общую точку с одним из выводов диагонали переменного тока этого однофазного мостового транзисторного инвертора, причем одна из упомянутых двух первичных обмоток включена между плюсовым выводом диагонали постоянного тока однофазного мостового транзисторного инвертора и коллектором соответствующего транзистора, другая первичная обмотка включена между минусовым выводом диагонали постоянного тока этого мостового транзисторного инвертора и эмиттером соответствующего транзистора, а вторичная обмотка четырехобмоточного насыщающегося трансформатора подключена к соответствующему входу системы управления и защиты.

Это позволило осуществить превентивную защиту однофазного мостового транзисторного инвертора от сквозных токов и, тем самым, значительно повысить надежность устройства в целом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна". Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части (элемента) средства с одноименным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочее); - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов: - выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей и закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется фиг. 2, на которой представлена схема однофазного мостового транзисторного инвертора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Устройство (фиг. 2) содержит в силовой части однофазный мостовой транзисторный инвертор, включающий транзисторы 1, 2, 3, 4, шунтированный обратными диодами 5, 6, 7, 8, источник постоянного напряжения со сглаживающим конденсатором 9 на выходе. В диагональ переменного тока однофазного мостового транзисторного инвертора, включена нагрузка 10, преимущественно трансформаторного типа. Причем последовательно с нагрузкой в эту диагональ включен конденсатор 11 и датчик тока 12. Схема содержит также датчик сквозных токов, выполненный в виде насыщающегося четырехобмоточного трансформатора 13 стремя одинаковыми первичными обмотками 14, 15, 16 и вторичной обмоткой 17. Первая первичная обмотка 14 включена между одним из полюсов источника питания и одноименным выводом диагонали постоянного тока однофазного мостового транзисторного инвертора, а первичные обмотки 15 и16 включены встречно по отношению к обмотке 14. При этом первичная обмотка 15 включена между плюсовым выводом диагонали постоянного тока однофазного мостового транзисторного инвертора и коллектором транзистора 1, объединенным с катодом обратного диода 5. Первичная обмотка 16 включена между минусовым выводом диагонали питания однофазного мостового транзисторного инвертора и эмиттером транзистора 3, объединенного с анодом шунтирующего обратного диода 7. Выход датчика тока 12 и вторичная обмотка 17 четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13 подключены к соответствующим входам системы защиты и управления 18.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.е. при отсутствии сквозных токов, работа инвертора ничем не отличается от работы известных однофазных мостовых транзисторных инверторов. Пусть, например, в первый такт работы инвертора включены диагональные транзисторы 1 и 2. Тогда ток от плюса источника питания протекает по цепи: обмотки 14 и 15 четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13, транзистор 1, конденсатор 11, датчик тока 12 нагрузки 10, транзистор 2, минус источника питания. Поскольку первичные обмотки 14 и 15 включены встречно и имеют одинаковое число витков, они образуют бифилляр, т. е. их суммарный поток равен нулю.

Таким образом, индуктивность четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13 в цепи тока однофазного мостового транзисторного инвертора равна нулю, а резистивное сопротивление его обмоток пренебрежимо мало. В следующем такте работы инвертора включены транзисторы 4 и 3 и ток от плюса источника питания проходит через первую первичную обмотку 14, транзистор 4, нагрузку 10, датчик тока 12, конденсатор 11, транзистор 3, первичную обмотку 16, минус источника питания. Снова в цепи тока инвертора оказываются две бифиллярно включенные первичные обмотки 14 и 16 четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13 с общим нулевым импедансом. Заметим, что в переходных режимах, например, при спаде тока в нагрузке 10 реактивная энергия, запасенная в нагрузке, разряжается в сглаживающий конденсатор 9 также всегда через две обмотки четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13: либо через 14 и 15, либо через 14 и 16, образующие бифилляр. Очевидно, что в рассмотренных случаях ЭДС вторичной обмотки 17 равна нулю.

Известно, что при сбоях в системе управления, увеличении времени запирания транзисторов из-за, например, нагрева, недостаточной паузы при переключении диагональных транзисторов моста и т.п. причин может произойти сквозное короткое замыкание через последовательно включенные транзисторы в двух или сразу в четырех плечах. Эта авария является наиболее тяжелой, так как ток замыкается, минуя нагрузку. Для уменьшения скорости нарастания сквозного тока di/dt последовательно в цепь источника питания включают дроссель, шунтированный обратным диодом. Однако существенное уменьшение di/dt отрицательно сказывается на динамике устройства, увеличиваются также габариты упомянутого дросселя. В то же время при больших di/dt ток аварийного отключения может достичь недопустимой величины, так как в известных устройствах защита приходит в действие уже после достижения током предельно допустимой величины и запаздывает на собственное время срабатывания.

В предлагаемом изобретении при появлении сквозного тока схема функционирует следующим образом.

Если, например, одновременно отпираются транзисторы 1 и 3, ток проходит через первичные обмотки 14, 15, 16. Создается нескомпенсированный магнитный поток, и вторичная обмотка 17 выдает сигнал в систему защиты и управления 18. При этом сквозной ток не может быть выше тока намагничивания четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13, т.е. пренебрежимо мал и безопасен для транзисторов инвертора.

Четырехобмоточный насыщающийся трансформатор 13 рассчитывается, исходя из времени насыщения чуть большего, чем время восстановления запирающих свойств транзисторов инвертора. В этом случае, если сбой системы и появление сквозного тока носят случайный характер, а длительность сквозного тока меньше времени восстановления запирающих свойств транзисторов инвертора, сквозной ток будет ограничен на уровне тока намагничивания четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13. При увеличении длительности импульсов сквозного тока сигналом с вторичной обмотки 17 четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13, действующим на систему защиты и управления 18, установка отключается.

Важно отметить, что команда на отключение происходит при практически нулевом сквозном токе, т.е. превентивно, а сигнал отключения, т.е. напряжение вторичной обмотки 17, определяется лишь коэффициентом трансформации и не требует усиления.

При сквозном токе через транзисторы 2, 4 схема работает аналогично вышеописанному. Наконец, при одновременном сквозном токе в обеих ветвях однофазного мостового транзисторного инвертора также неизбежно появление некомпенсированного потока в четырехобмоточном насыщающемся трансформаторе 13, так как идеальное деление тока пополам в ветвях однофазного мостового транзисторного инвертора практически невозможно.

Габариты четырехобмоточного насыщающегося трансформатора 13 в долях от габаритов трансформатора нагрузки 10 составляют примерно t/0,5T, где t - время восстановления запирающих свойств транзисторов инвертора, а Т - период напряжения инвертора.

Например, при t = 1 мкс и частоте 50 кГц t/0,5T = 0,1. При меньших t четырехобмоточный насыщающийся трансформатор 13 будет еще меньше. Таким образом, указанный выше технический результат достигается простыми средствами. При этом отпадает необходимость в датчике общего тока инвертора и других каких-либо датчиках сквозного тока.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в электротехнике, в различных вторичных источниках питания;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Однофазный мостовой транзисторный инвертор, содержащий транзисторы, источник питания со сглаживающим конденсатором на выходе, нагрузку, преимущественно трансформаторного типа, подключенную через конденсатор к диагонали переменного тока упомянутого однофазного мостового транзисторного инвертора, а также содержащий датчик тока нагрузки, соединенный выходом с системой управления и защиты по принципу отрицательной обратной связи, отличающийся тем, что упомянутый однофазный мостовой транзисторный инвертор снабжен датчиком сквозных токов, выполненным в виде четырехобмоточного насыщающегося трансформатора с тремя одинаковыми первичными и одной вторичной обмотками, причем первая первичная обмотка упомянутого трансформатора включена последовательно между одним из полюсов источника питания и одноименным выводом диагонали постоянного тока однофазного мостового транзисторного инвертора, две другие первичные обмотки, встречно включенные по отношению к первой, включены в два плеча мостового транзисторного инвертора, имеющие общую точку с одним из выводов диагонали переменного тока этого мостового транзисторного инвертора, причем одна из упомянутых двух первичных обмоток включена между плюсовым выводом диагонали постоянного тока мостового транзисторного инвертора и коллектором соответствующего транзистора, другая первичная обмотка включена между минусовым выводом диагонали постоянного тока мостового транзисторного инвертора и эмиттером соответствующего транзистора, а вторичная обмотка насыщающегося трансформатора подключена к соответствующему входу системы управления и защиты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2